Part three: Electrifying – Teil drei: Elektrisierend

Eine deutsche Version ist weiter unten zu finden.

So far, we only had a look at methods, which are sensitive for acoustic properties of the water, the seafloor and underground. However, there are physical parameters which show strong differences between salty and freshened water and make it easier to distinguish between these two. For example, salt water is much better at conducting electricity than freshwater, because it contains dissolved charged particles (ions). It is thus interesting to look at the electrical resistivity (resistivity to the passage of electrical currents) of the underground in order to find fresh water aquifers.

The principle is that a current is send into the underground with transmitting electrodes (metal rods) generating an electric field which can be detected at a distance by receiver electrodes. A pair of these electrodes with opposing polarity is called a dipole. Switching the current on will cause the electric dipole field to spread outward. The arrival of the field at the receivers is recorded with the receiver electrodes. Once the field has spread, however, it is constant and we would not gain any new knowledge. That is why we are sending a so-called square signal; the current is switched on, switched off, switched on with reversed polarity (current flowing in the other direction) and switched off again, while we are slowly moving the transmitter electrodes along a profile. Bodies with high resistivity, such as fresh water, will deform the electric field on its way to the receivers. It is thus possible, with a lot of modelling and complicated processing of the data, to find out where these resistive bodies are.

Setting up an OBEM station on deck, long electrode arms are about to be connected. (Photo: Thies Bartels)

Our initial plan was to use a system, where the source and the receivers are installed along a rope of several hundred metres length. This is then towed behind the ship, along the seafloor. Unfortunately, after a first test profile, it was clear that the seafloor here is not suitable for this kind of survey. Even though it appeared to be smooth in the hydroacoustic data, ropes showed quite some signs of abrasion. Meanwhile, we know from the newly collected data, that there is not just nice, soft sediment, but also quite rough areas of large extend. We decided to use a different system, where receivers are deployed stationary to the seafloor and a mobile transmitter is towed in the water column at a safe distance of several meters above the seafloor.

The OBEM in the last seconds we see it, until the station pops up again for recovery in a few days. (Photo: Henrike Timm)

As a signal source we use CAGEM. It consists of a large, squared frame with metal-gratings at each corner serving as transmitting electrodes. The alternating electric currents in the two diagonal dipoles (metal-gratings across from each other make a dipole) create the electric field in the seafloor. In the centre of the squared frame and about 5 m above it, there is a non-conducting cube (made of GFRP – glass-fibre reinforced plastic), which contains all the electronics (i.e. data recorders, communication devices, a CTD etc.). This ensures that the created currents in the lower frame are not disturbed by electric noise from electronic instruments. Cube and frame are connected by ropes and cables.

Preparation of the CAGEM system, in the centre the cube is hanging. The frame with the metal-gratings fills out the whole deck area. (Photo: Henrike Timm)

The distance between the source and receivers determines the depth of penetration into the ground (just as with the acoustic measurements before). That is why we are using OBEM stations (Ocean Bottom Electro-Magnetics) as receivers of the signals. OBEMs are small independent stations, which are deployed onto the seafloor, without being attached to the ship anymore. Like that, we are able to create bigger distances between the ship-bound CAGEM source and the receiver OBEMs. They look a little like four-legged spiders, where at the end of the legs our receiving electrodes are attached. After an experiment, it is possible to send a short acoustic signal from the ship to give the OBEMs the command to detach from their anchors, so that they pop back up to the water surface and can be retrieved.

With this, we come to an end of our geophysical methods. In the next entry, we will explain why taking sediment samples is so important to get the most of all our data, stay tuned.


Teil drei: Elektrisierend

Bisher haben wir uns Methoden angesehen, die akustische Eigenschaften des Wassers, des Meeresbodens und des Untergrundes untersuchen. Es gibt allerdings physikalische Parameter, die einen großen Unterschied zwischen salzigem und frischem Wasser anzeigen und es daher einfacher machen zwischen den beiden zu unterscheiden. Salzwasser ist zum Beispiel viel besser darin elektrischen Strom zu leiten, weil es geladene Teilchen enthält (Ionen). Es ist deshalb interessant sich den elektrischen Widerstand (also den Widerstand gegen das Durchfließen von elektrischem Strom) des Untergrundes anzusehen um Frischwasseraquiferen zu finden.

Das Prinzip ist, dass ein Strom mithilfe von Transmitterelektroden (Metallstäbe) in den Untergrund gesendet wird, was ein elektrisches Feld generiert, welches von Empfängerelektroden in einigem Abstand detektiert werden kann. Ein Paar solcher Elektroden mit entgegengesetzter Polarität wird „Dipol“ genannt. Wird der Strom eingeschaltet, breitet sich das elektrische Feld aus und die Ankunft des Feldes bei den Empfängern wird von den Elektroden aufgezeichnet. Wenn sich das Feld jedoch ausgebreitet hat, ist es konstant und wir erhalten keine neuen Informationen. Deshalb senden wir ein so genanntes Rechtecksignal; der Strom wird eingeschaltet, abgeschaltet, mit entgegengesetzter Polarität wieder eingeschaltet (der Strom fließt in die andere Richtung) und wieder abgeschaltet, während wir die Transmitterelektroden langsam entlang eines Profils bewegen. Gebiete mit hohem Widerstand, wie Frischwasserreservoire, können das elektrische Feld auf dem Weg zu den Empfängern verformen. So ist es mithilfe von Modellierungen und aufwendiger Aufarbeitung der Daten möglich diese aufzuspüren.

Vorbereiten einer OBEM Station auf dem Arbeitsdeck, lange Elektrodenarme werden verbunden. (Foto: Thies Bartels)

Eigentlich war geplant, ein System zu nutzen, bei dem Quelle und Empfänger entlang eines Seils von mehreren hundert Metern Länge installiert werden. Das Ganze sollte dann hinter dem Schiff auf dem Meeresboden entlang gezogen werden. Leider war nach einem kurzen Testprofil schnell klar, dass der Meeresboden hier für diese Art der Messung ungeeignet ist. Obwohl es in den Daten der Hydroakustik alles recht eben und glatt aussah, zeigten die Seile schon nach kurzer Zeit Spuren großer Abreibung. Mittlerweile wissen wir, von verschiedenen neuen Daten, dass es hier große Gebiete gibt, in denen der Meeresboden alles andere als glatt ist. Wir haben daher beschlossen ein anderes System zu nutzen, bei dem die Empfänger auf dem Meeresboden abgesetzt und der Transmitter mit sicherem Abstand vom Grund in der Wassersäule geführt wird.

Das OBEM in den letzten Sekunden bevor es zum Meeresboden sinkt und erst in ein paar Tagen wieder zum Einsammeln auftaucht. (Foto: Henrike Timm)

Als Quelle für das Signal benutzen wir das so genannte CAGEM. Es besteht aus einem großen, quadratischen Rahmen mit Metallgittern an jeder Ecke, die als Transmitter-Elektroden fungieren. Der alternierende elektrische Strom in den beiden diagonalen Dipolen (die beiden Metallgitter gegenüber voneinander bilden je ein Dipol) erzeugen das elektrische Feld im Untergrund. In der Mitte des Rahmens und ca. 5m oberhalb, ist ein kleinerer würfelförmiger Rahmen aus nichtleitendem Material (Glasfaserverstärktes Plastik), der alle benötigte Elektronik enthält (also Aufnahmegerät, Instrumente zur Kommunikation, eine kleine CTD etc.). So wird sichergestellt, dass die Ströme im unteren Rahmen nicht von den elektronischen Geräten im Würfel gestört werden. Würfel und Rahmen sind mit Kabeln und Seilen verbunden.

Vorbereitung des CAGEM-Systems, in der Mitte hängt der Würfel. Der Rahmen mit den Metallgittern füllt den gesamten Bereich des Arbeitsdecks aus. (Foto: Henrike Timm)

Die Distanz zwischen Quelle und Empfänger bestimmt die Tiefe des EM Signals in den Untergrund (genau wie bei den akustischen Messungen vorher). Wir benutzen daher OBEM Stationen (Ocean Bottom Electro Magnetics) als Empfänger für das Signal. OBEMs sind kleine unabhängige Messstationen, die auf dem Meeresboden abgesetzt werden, ohne dabei noch mit dem Schiff verbunden zu sein.  Auf diese Weise können wir größere Abstände zwischen dem CAGEM am Schiff als Quelle und den Empfängern (OBEMs) erreichen. OBEMs sehen ein bisschen aus wie vierbeinige Spinnen, wobei am Ende der Beine unsere Empfänger Elektroden befestigt sind. Nach einem Experiment ist es möglich mit einem kurzen akustischen Signal vom Schiff den OBEMs den Befehl zu geben, sich von ihrem Anker zu lösen, so dass sie an die Wasseroberfläche aufschwimmen, wo sie von uns wieder eingesammelt werden können.

Hiermit kommen wir zum Ende der geophysikalischen Methoden. Im nächsten Eintrag werden wir erzählen, warum es so spannend und wichtig ist, Sedimentproben zu nehmen, um das meiste aus unseren Daten zu bekommen. Bis bald!

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